發(fā)布日期：2023-8-15 22:44:59
古往今來，每一次高新技術(shù)的發(fā)展都在推動著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷的前進(jìn)與開拓創(chuàng)新，回顧骨科學(xué)的發(fā)展歷程,前后大體經(jīng)歷了顯微外科、微創(chuàng)外科及數(shù)字骨科3個階段。顯微外科技術(shù)使臨床外科醫(yī)生能夠克服人的自然視力限制,更精細(xì)地解剖、切開縫合各級組織，顯著提高了外科手術(shù)質(zhì)量，推動了外科學(xué)整體水平的前進(jìn)。20世紀(jì)末，微創(chuàng)外科技術(shù)的問世是現(xiàn)代外科學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，一次重大的突破，微創(chuàng)外科技術(shù)當(dāng)前在臨床得到了廣泛的應(yīng)用，其中最突出的代表便是內(nèi)鏡技術(shù),使外科手術(shù)更加微創(chuàng)化同樣是當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要方向［1］。近年來，數(shù)字骨科技術(shù)在骨科領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的生命力，彰顯出了巨大的發(fā)展前景和臨床應(yīng)用價值，其中在人工智能(artificial intelligence, AI) 技術(shù)和3D打印技術(shù)的推動下產(chǎn)生了諸多新型診療思路，具有極大發(fā)展?jié)摿�。本文對近年來AI技術(shù)和3D打印技術(shù)在骨關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1、 AI技術(shù)在關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展
AI是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。“人工智能”一詞最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代,最初僅僅是機器展示人類智能的簡單理論霍在當(dāng)今這個技術(shù)快速進(jìn)步、超大數(shù)據(jù)集(“大數(shù)據(jù)”)呈指數(shù)級增長的時代,AI已經(jīng)達(dá)到了前所未有的規(guī)模并從單純的理論過渡到實際應(yīng)用,已經(jīng)扎根于社會的方方面面［3］o新技術(shù)發(fā)展的同時，也為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域注入了新的生命力，現(xiàn)階段,AI技術(shù)在關(guān)節(jié)領(lǐng)域展示出巨大的發(fā)展與應(yīng)用潛力。
1.1 AI技術(shù)輔助關(guān)節(jié)外科臨床診斷
進(jìn)入21世紀(jì)后各種形式的數(shù)字成像在醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域變得越來越強大和不可或缺,X線、CT、MRI等影像技術(shù)成為了骨科醫(yī)生臨床診斷中重要的輔助工具，但是臨床醫(yī)生常常因工作繁忙、壓力大而造成漏診、誤診的風(fēng)險�；贏I的子領(lǐng)域一機器學(xué)習(xí)(machine learning, ML)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)作為AI的重要研究方向,在骨科領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，可替代人類
醫(yī)生大量的重復(fù)性工作,減輕工作壓力，協(xié)助提高診斷率、降低誤診率、減少漏診［4-5］。Karnuta等問設(shè)計出一種基于X線片診斷骨關(guān)節(jié)炎的技術(shù)，該技術(shù)通過ML的一種預(yù)測算法,分析圖像中的像素并識別骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)特征,將所有相關(guān)信息劃分為一個模式,將其與已知的骨性關(guān)節(jié)炎模型相匹配,在遇到未知圖像時即可做出診斷性決策。髓關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是中老年人群的常見病,傳統(tǒng)上，髓關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的診斷是通過人工評估X線圖像,Xue等［7利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(convolutional neural network , CNN )在 420 張髓部X線圖像上進(jìn)行測試,以自動診斷髓關(guān)節(jié)炎,結(jié)果顯示該CNN模型具有95.0%的高靈敏度和90.7%的高特異性，以及92.8%的準(zhǔn)確性，該模型的性能堪比一個10年經(jīng)驗的主治醫(yī)師。Norman等[8]利用DenseNets模型對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎進(jìn)行評估和診斷，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果正確反映了骨關(guān)節(jié)炎特征，可以幫助放射科醫(yī)生作出更準(zhǔn)確和精確的診斷。
1.2 AI技術(shù)輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)
基于計算機的技術(shù),包括軟件和硬件在如今的外科手術(shù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。骨科手術(shù)機器人成為推進(jìn)微創(chuàng)、精準(zhǔn)骨科治療的核心技術(shù)與設(shè)備，在臨床中的應(yīng)用愈加廣泛。骨科手術(shù)機器人與AI結(jié)合,使微創(chuàng)化、智能安全化、精準(zhǔn)化與個性化疾病治療成為可能,在關(guān)節(jié)骨科領(lǐng)域取得了不錯的臨床效果化機器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplas
ty, TKA) 與傳統(tǒng)手術(shù)相比能減少軟組織損傷，提高假體植入物的精確度，并降低術(shù)后疼痛感與全身并發(fā)癥發(fā)生率,從而增加患者滿意度;機器人輔助單課膝關(guān)節(jié)置換術(shù)能夠顯著減少并發(fā)癥的發(fā)生率，使患者獲得更快的術(shù)后恢復(fù)速度并更真實自然地感知膝關(guān)節(jié)［10-11］。吳東等［12］研發(fā)出一套人工智能輔助全髓關(guān)節(jié)置換術(shù)三維規(guī)劃系統(tǒng)(AIHIP),在術(shù)前對擬行單側(cè)初次全髓關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty, THA)治療的60例股骨頭壞死患者進(jìn)行隨機分組，其中30例使用AIHIP系統(tǒng)、30例使用膠片模板測量方法進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，結(jié)果顯示AIHIP系統(tǒng)可實現(xiàn)對髓關(guān)節(jié)的全面三維評估，與傳統(tǒng)二維模板測量方法相比,具有更高的準(zhǔn)確性和有效性。隨著云計算、3D打印技術(shù)、AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，參照我國人群骨骼解剖設(shè)計的內(nèi)植物設(shè)計正不斷變成現(xiàn)實,為患者提供最優(yōu)化、個性化的內(nèi)植物，使關(guān)節(jié)外科手術(shù)提供了更多的選擇,避免了術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生[13]。
AI技術(shù)輔助臨床診斷，提高了診斷效率,緩解了臨床醫(yī)生的壓力,讓有限的醫(yī)療資源能更好地分配到每一個患者身上。同時，隨著AI聯(lián)合手術(shù)機器人等技術(shù)在臨床的應(yīng)用愈發(fā)普遍,讓手術(shù)過程變得更加精細(xì)化、微創(chuàng)化,縮短了整個手術(shù)過程、減少了出血時間和并發(fā)癥，讓患者能夠早日獲得康復(fù)。
2 、3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展
3D打印技術(shù)又稱為快速成型技術(shù)，是以一種數(shù)字資料為基礎(chǔ)，根據(jù)熔融沉積制造、光固化立體成型術(shù)等各種不同的成型方式，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料,通過分層加工、逐層堆疊累積等方式創(chuàng)建三維實體的新興技術(shù)網(wǎng)。近年來，隨著計算機、大數(shù)據(jù)、數(shù)字影像等技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是合金材料的應(yīng)用,3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)骨科領(lǐng)域中得到了廣泛的發(fā)展,包括術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、個性化關(guān)節(jié)置換模型和假體的制作等，深受醫(yī)生和患者的青睞，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2.1 3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科手術(shù)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)外科手術(shù)時,在螺釘置入和截骨時為了保證其準(zhǔn)確性,避免損傷血管、神經(jīng)及周圍重要臟器等結(jié)構(gòu),往往需要依靠術(shù)中多次透視及主刀醫(yī)師的手術(shù)經(jīng)驗,造成手術(shù)時間過長,并存在螺釘松動的風(fēng)險�；�3D打印技術(shù)制作的截骨導(dǎo)板在術(shù)前對CT等影像資料進(jìn)行三維重建，確定術(shù)中螺釘置入的位置、深度和方向，進(jìn)行個性化手術(shù)設(shè)計，可以減少術(shù)中透視次數(shù),簡化手術(shù)過程，同時提高手術(shù)效率和精度叫Sun等購設(shè)計了一種3D打印專用髓內(nèi)導(dǎo)向器,對納入標(biāo)準(zhǔn)80例膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者實行隨機分配，并分別實施3D打印個體化輔助TKA和常規(guī)TKA,術(shù)后發(fā)現(xiàn)3D打印個體化組的髕骨運動軌跡更好，可以更準(zhǔn)確地輔助髓內(nèi)引導(dǎo)，具有更好的假體置入精度。王躍輝等切運用3D打印髓關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心定位器輔助進(jìn)行THA,術(shù)后發(fā)現(xiàn)3D打印髓關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心定位器,可有效協(xié)助髓關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的重建，精準(zhǔn)植入髓臼假體，具有良好的手術(shù)精度。Wang等兩為髓臼盆腔惡性腫瘤設(shè)計了一系列3D打印、定制的多孔結(jié)構(gòu)半骨盆一體化內(nèi)假體，術(shù)后結(jié)果顯示該定制一體化設(shè)計,準(zhǔn)確并完整地植入骨盆,無假體脫位、假體斷裂、假體無菌性松動或局部復(fù)發(fā)等并發(fā)癥,為盆腔重建患
者提供了可接受的早期結(jié)果。
2.2 3D打印技術(shù)在術(shù)前宣教、人工假體、骨關(guān)節(jié)損傷修復(fù)中的應(yīng)用
通過3D打印制作出的1：1模型，在關(guān)節(jié)外科術(shù)前溝通中同樣發(fā)揮著積極的作用,以膝關(guān)節(jié)置換為例子,通過所打印出的3D模型能夠能夠使患者更加直觀地理解醫(yī)學(xué)專業(yè)知識,實現(xiàn)有效的術(shù)前溝通,讓患者能夠更加清楚地了解自身的病情情況,進(jìn)而有效地減少醫(yī)患矛盾的發(fā)生。同時3D模型及術(shù)前的操作演示也有助于團(tuán)隊在體外完成手術(shù)預(yù)操作并有針對性地提出其中存在的風(fēng)險和相應(yīng)預(yù)案，使整個手術(shù)方案更加成熟，進(jìn)而幫助骨科醫(yī)生縮短手術(shù)時間，改善臨床結(jié)果凹。關(guān)節(jié)假體與骨頭的匹配度直接影響人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的效果,關(guān)節(jié)假體如果不能較好地和骨與軟組織匹配的話，髓腔與假體之間可能留有間隙，并可能此而發(fā)生關(guān)節(jié)松動，甚至導(dǎo)致假體滑脫影響療效。
因此人工關(guān)節(jié)個體化的要求越來越高，目前3D打印個性化設(shè)計假體在骨科臨床上已得到廣泛應(yīng)用,根據(jù)患者自身影像學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)計出與其生理解剖相匹配且高精度的個體化假體可以顯著提高手術(shù)成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥㈣。在骨關(guān)節(jié)損傷修復(fù)重建方面，關(guān)節(jié)軟骨再生能力較差,關(guān)節(jié)腔內(nèi)血管分布較少,只能依靠滑膜分泌的滑液滋養(yǎng)，因此軟骨一旦損傷后,修復(fù)較為緩慢。3D打印技術(shù)可采用聚合物材料、生物陶瓷、天然材料等生物活性材料對復(fù)雜組織超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生構(gòu)建,并可通過對支架材料的力學(xué)性能調(diào)控及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計,構(gòu)建適合細(xì)胞生長的微環(huán)境,如果該細(xì)胞支架符合軟骨細(xì)胞生長的特點,細(xì)胞與滑液就能進(jìn)行充分的接觸,從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞生長［21］。
3、 AI聯(lián)合3D打印在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用
膝髓關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療終末期膝髓骨關(guān)節(jié)炎的重要方法，可恢復(fù)關(guān)節(jié)的形態(tài)、功能。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國髓膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)量已由2011年的22萬臺上升到2019年的95萬臺,并以每年超過19%的速度增長,為數(shù)百萬的患者解決了問題2］。盡管近年來我國人工膝、髓關(guān)節(jié)置換手術(shù)水平取得了飛速發(fā)展。盡管已經(jīng)被認(rèn)為是20世紀(jì)外科手術(shù)中最成功、最重要
的手術(shù)，但人工髓、膝置換術(shù)中仍存在很多尚未解決的問題。目前臨床中關(guān)節(jié)置換手術(shù)計劃的制訂多是根據(jù)臨床影像學(xué)資料，難以準(zhǔn)確、全面地反映病變關(guān)節(jié)的具體信息,尤其是截骨角度的把握,多數(shù)依賴主刀醫(yī)生的個體臨床經(jīng)驗，另外患者滿意度及遠(yuǎn)期假體生存率的主要因素包括肢體不等長、關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、力線不佳、假體位置不良等,而造成這些問題的原因除了手術(shù)醫(yī)生的技術(shù)外,還跟假體的設(shè)計精度及材料密切相關(guān)㈤。為了能更好地解決這些問題，達(dá)到當(dāng)前關(guān)節(jié)外科微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、個性化的目標(biāo)，越來越多的數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用到關(guān)節(jié)外科手術(shù)中。當(dāng)前,AI聯(lián)合3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于臨床實踐中,給臨床工作帶來了全新的思路。
3D 打印輔助工具在術(shù)前根據(jù)患者的病情定制化設(shè)計，在術(shù)中作為醫(yī)生的得力助手進(jìn)行精確測量，輔助完成術(shù)中精準(zhǔn)安裝假體、截骨等操作，減少手術(shù)時間和出血量，使假體能夠更好地貼合生理解剖結(jié)構(gòu)。
AI技術(shù)可在術(shù)前進(jìn)行三維重建、人工智能識別和分割、人工智能矯正和測量、假體預(yù)放置,并在此基礎(chǔ)上個性化定制3D打印輔助工具，為關(guān)節(jié)置換手術(shù)的整個過程進(jìn)行周密和精確的個性化術(shù)前規(guī)劃。劉帥［24］將3D打印個性化截骨導(dǎo)板與計算機設(shè)計技術(shù)相結(jié)合輔助TKA,結(jié)果顯示3D打印個性化截骨導(dǎo)板與計算機輔助技術(shù)相結(jié)合能夠提高假體精準(zhǔn)度,具有良好的臨床實用價值，提供精準(zhǔn)的個體化手術(shù)方案。吳東等㈤將3D打印技術(shù)與計算機輔助技術(shù)相結(jié)合，利用計算機輔助技術(shù)導(dǎo)入患者術(shù)前影像學(xué)檢查數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上獲得個性化的三維重建手術(shù)規(guī)劃，并利用3D打印技術(shù)提供精準(zhǔn)的手術(shù)定位導(dǎo)航,結(jié)果顯示此全新的個性化定制THA手術(shù)導(dǎo)板能夠更加貼合患者的生理解剖,降低THA手術(shù)難度,提高手術(shù)精度,經(jīng)臨床證實后，具有良好的有效性和安全性。惠州市人民醫(yī)院骨科團(tuán)隊使用“人工智能+3D打印技術(shù)+直接前方入路”三合一技術(shù),成功完成了國內(nèi)首例三合一技術(shù)全髓關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)后當(dāng)天患者即可下地活動,獲得了令人滿意的臨床療效。三種技術(shù)共同使用的目的是讓手術(shù)的創(chuàng)口更小、讓關(guān)節(jié)置換的過程更精確、讓患者在術(shù)后能獲得與假體更好的匹配度，更舒適地行走。另外,AI聯(lián)合3D打印在年輕醫(yī)生的教學(xué)工作中同樣發(fā)揮著重要的作用,醫(yī)學(xué)操作本身具有侵襲性，在當(dāng)今社會中患者自我保護(hù)意識強化、醫(yī)患關(guān)系敏感化、手術(shù)室資源應(yīng)用盡可能最大化的背景下，以患者為對象進(jìn)行直接臨床技能操作教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)逐漸被淘汰,膝髓關(guān)節(jié)置換對很多年輕的外科學(xué)員來說，手術(shù)設(shè)計和長期的培訓(xùn)獲得經(jīng)驗的機會有限，培訓(xùn)難度較大。有研究表明西，模擬教學(xué)能夠提高年輕醫(yī)生的臨床操作信心，這對年輕醫(yī)生的成長至關(guān)重要，利用機器人系統(tǒng)和3D打印產(chǎn)生的逼真仿真進(jìn)行訓(xùn)練的結(jié)合手術(shù)設(shè)計的混合模型，可以降低年輕醫(yī)生的成長周期,提高醫(yī)學(xué)教育水平,為患者提供安全、有效的治療[27]。
4、小結(jié)
高新技術(shù)的發(fā)展為臨床骨科的診療工作帶來了眾多的新型診療思路，給傳統(tǒng)骨科的診療模式帶來了巨大的變革和發(fā)展。科技進(jìn)步帶來了機遇也帶來了挑戰(zhàn)，首先，臨床大數(shù)據(jù)是AI發(fā)展的重要基石,但是如何將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)集變得直觀可視化，最終轉(zhuǎn)化為通用性工具供醫(yī)護(hù)人員在臨床中使用至為重要，基于AI算法的應(yīng)用通常會導(dǎo)致復(fù)雜數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，
這些數(shù)據(jù)的處理與交融需要跨科合作,開發(fā)團(tuán)隊勢必龐大，需要多個學(xué)科共同配合。其次前期的數(shù)據(jù)錄入與機器投入相對較高,醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的多樣性、不完整性、隱私性，以及當(dāng)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)泄露后可能涉及的倫理等問題同樣需要解決。3D打印也存在著相關(guān)問題,如關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)現(xiàn)階段仍停留在動物實驗和體外階段，其臨床有效性與安全性仍需要繼續(xù)研究，實物模型耗費貴,相關(guān)法律文件仍有待完善,缺乏切實可行的政策性文件,對于現(xiàn)有的前期應(yīng)用尚缺乏具有說服力的長期隨訪數(shù)據(jù),未來仍有待開展更多高證據(jù)級別的臨床研究。數(shù)字骨科蓬勃發(fā)展的同時雖然也存在著局限性，但是古往今來每一次高新技術(shù)的進(jìn)步都為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了前所未有的發(fā)展，相信隨著骨科臨床醫(yī)生、骨科科研人員乃至機械工程師等的共同努力,智能骨科時代很快就會來臨。
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